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10 de agosto de 2017

por Emil Venere, Universidade Purdue

Foi demonstrado que um novo "metamaterial" leve, resistente a chamas e superelástico combina alta resistência com condutividade elétrica e isolamento térmico, sugerindo aplicações potenciais de edifícios à indústria aeroespacial.

O compósito combina nanocamadas de uma cerâmica chamada óxido de alumínio com grafeno, que é uma folha extremamente fina de carbono. Embora tanto a cerâmica quanto o grafeno sejam frágeis, o novo metamaterial possui uma microestrutura em favo de mel que proporciona superelasticidade e robustez estrutural. Os metamateriais são projetados com características, padrões ou elementos na escala de nanômetros, ou bilionésimos de metro, fornecendo novas propriedades para diversas aplicações potenciais.

O grafeno normalmente se degradaria quando exposto a altas temperaturas, mas a cerâmica confere alta tolerância ao calor e resistência à chama, propriedades que podem ser úteis como escudo térmico para aeronaves. As propriedades leves, de alta resistência e de absorção de choque podem tornar o compósito um bom material de substrato para dispositivos eletrônicos flexíveis e "sensores de grande deformação". Por ter alta condutividade elétrica e ainda ser um excelente isolante térmico, pode ser usado como revestimento retardador de chamas e isolante térmico, bem como sensores e dispositivos que convertem calor em eletricidade, disse Gary Cheng, professor associado da Escola. de Engenharia Industrial na Purdue University.

“Este material é mais leve que uma pena”, disse ele. "A densidade é muito baixa. Tem uma relação resistência-peso muito alta."

As descobertas foram detalhadas em um artigo de pesquisa publicado em 29 de maio na revista Advanced Materials. O artigo foi uma colaboração entre Purdue, a Universidade de Lanzhou e o Instituto de Tecnologia Harbin, ambos na China, e o Laboratório de Pesquisa da Força Aérea dos EUA. Um destaque de pesquisa sobre o trabalho apareceu na revista Nature Research Materials.

"As excelentes propriedades dos atuais componentes à base de cerâmica têm sido usadas para permitir muitas aplicações multifuncionais, incluindo películas de proteção térmica, sensores inteligentes, absorção de ondas eletromagnéticas e revestimentos anticorrosivos", disse Cheng.

No entanto, os materiais à base de cerâmica têm vários gargalos fundamentais que impedem a sua utilização omnipresente como elementos funcionais ou estruturais.

"Aqui, relatamos um metamaterial multifuncional de cerâmica-grafeno com superelasticidade derivada de microestrutura e robustez estrutural", disse Cheng. "Conseguimos isso projetando uma microestrutura hierárquica em favo de mel montada com paredes celulares multi-nanocamadas servindo como unidades elásticas básicas. Este metamaterial demonstra uma sequência de propriedades multifuncionais simultaneamente que não foram relatadas para cerâmica e estruturas de compósitos de matriz cerâmica."

O material compósito é feito de células interconectadas de grafeno imprensadas entre camadas cerâmicas. A estrutura de grafeno, conhecida como aerogel, é quimicamente ligada a camadas cerâmicas usando um processo chamado deposição de camada atômica.

“Controlamos cuidadosamente a geometria deste aerogel de grafeno”, disse ele. “E aí depositamos camadas muito finas de cerâmica. A propriedade mecânica desse aerogel é multifuncional, o que é muito importante. Esse trabalho tem potencial de tornar o grafeno um material mais funcional.”

O processo pode ser ampliado para a fabricação industrial, disse ele.

O trabalho futuro incluirá pesquisas para melhorar as propriedades do material, possivelmente alterando sua estrutura cristalina, ampliando o processo de fabricação e controlando a microestrutura para ajustar as propriedades do material.

Mais Informações: Qiangqiang Zhang et al. Peso mosca, superelástico, eletricamente condutivo e retardador de chama 3D multi-nanocamada de grafeno/metamaterial cerâmico, materiais avançados (2017). DOI: 10.1002/adma.201605506